湿法冶金工艺中的几种脉冲设备

刘文华，赵伯毅，董欣杨，陈 乡

（核工业北京化工冶金研究院，北京 101149）

脉冲设备是一种新型化工设备，越来越广泛地被应用到化工过程中。它的显著优点是结构简单，运行非常稳定，具有很高的技术经济指标；对于塔式设备，能调节分散相粒度，加快传质速度，避免操作过程中常有的气泡集聚、气垫、断层、管流等非常态现象发生；在设备工作区内没有传动部件，因此密封非常简单易行，也很可靠；另外，设备维修工作量可降至最低，有时甚至会彻底不需要进行维修。

脉冲设备的应用开辟了广泛建立新工艺过程的可能性，使得加工放射性液体、有毒液体和强腐蚀性液体可以安全有效地进行，以及可以强化十分复杂的过程。

1 脉冲发生器

脉冲发生器是脉冲设备的重要组成部分，通常采用带滑阀分配机构的空气脉冲器作为脉冲技术的传动装置。空气脉冲器（如图1所示）适用于所有的脉冲设备。

图1 带滑阀分配机构的空气脉冲器

滑阀分配机构在电动机驱动下，通过减速器进行旋转。每旋转1周，反应器中的脉冲装置通过管道依次接通高压主干线（通过贮气罐）和低压管道。压力脉冲导致反应器中的液体运动，从而使反应过程得到强化。

脉冲器是任何脉冲装置不可缺少的部件。这些脉冲装置包括反应器、塔、过滤器、泵、混合澄清器等。通常，在这些脉冲装置中适宜采用带滑阀分配机构的气体脉冲器。某些气体脉冲器的参数见表1。

表1 某些气体脉冲器的参数

气体脉冲器不直接与试剂接触；结构简单，外型尺寸非常小，比活塞式脉冲器还小；工作可靠，维修周期长，至少半年以上。因为设备和空气脉冲器只通过空气管道连接，所以可以随时更换。而机械脉冲器就没有这么简单。

与机械搅拌反应器相比，强化化学工艺过程时采用脉冲设备，费用要低很多，主要原因是节省了维修费用和操作费用。

2 脉冲萃取塔

脉冲萃取塔应用十分广泛，如从矿浆和溶液中提取和纯化铀、稀土、金、钽、铌、镍、钴、锌；废水净化中去除对氨基苯乙醚（使废水中对氨基苯乙醚的残留质量浓度小于极限允许质量浓度0.4 g／L）、二甲基三氯氧代磷酸乙酯等有机物；提纯二氯苯酚；制备仲钨酸铵等。

用脉冲萃取设备代替传统设备能获得更大的经济效益和社会效益，如在制备仲钨酸铵时可以利用由9台直径0.9 m和1.3 m、塔板区高8 m和6.5 m的脉冲塔组成的工业装置取代原有用于分解人造白钨矿的4台机械搅拌反应器、2台制浆槽、2台板框压滤机，用于沉淀人造白钨矿的6台机械搅拌反应器、2台制浆槽、1台板框压滤机、1台转鼓真空过滤机，以及用于溶解钨酸的4台机械搅拌反应器。这样，就腾空了大面积生产场地，改善了劳动条件，取消了过滤和洗涤工序的繁重劳动。因设备台数减少，日常维修和大修成本得以降低，电能、蒸汽和滤布的花费也都降低。此外，由于转入成品的WO3的直接浸出率提高了15%，原材料耗量也大为降低。

年产4 000 t仲钨酸铵生产线仅采用1台用钛制成的直径1.6 m、高16 m、工作区高10 m的萃取塔（采用кримз塔板型填料［1］），和2台用不锈钢制成的洗涤塔，直径分别为1.3 m和1.6 m。

目前应用的萃取塔有着不同的类型，其主要特征之一是传质段中用不同形式的填料，除上例采用高效кримз塔板型填料外（如图2所示），还有传统的穿流筛板萃取塔，以及传质段内部柱形空间被圆盘和圆环充填的贝特曼脉冲萃取塔（如图3所示）。南澳大利亚奥林匹克丹水冶厂采用13台这种贝特曼脉冲塔，并联处理含铀的铜萃余液，处理能力为3 000 m3／h［2－3］。

图2 кримз塔板型填料脉冲萃取塔图

图3 贝特曼脉冲萃取塔

3 脉冲吸附塔

脉冲吸附塔应用广泛，如净化液体放射性废料［4］（对预先经过混匀、凝聚和机械过滤，放射性Σβ＝（1～3）10－7Ci／L）的长期工艺试验结果表明：脉冲吸附塔能将所有放射性同位素净化到其残余浓度为允许浓度的1／（10～20）；从矿浆、溶液和外排水中回收铀、金、钼等有用金属［5］；用活性炭净化废水中的酚（处理能力300 m3／h，原始废水中酚质量浓度638 g／m3，外排废水中酚质量浓度小于40 g／m3）；从矿物肥料生产过程中的废水中除盐（氮磷复合肥料生产中的二次蒸汽冷凝液中HN4＋形式的氮质量浓度为500 g／m3，NO3－形式的氮的质量浓度为300 g／m3，处理后这2种形式的氮的质量浓度分别为大于2 g／m3和低于22 g／m3）；从废水和回水中提取钼（吸附塔直径3.4 m，生产能力300 m3／h）。脉冲吸附塔原则结构如图4所示。

图4 处理溶液的脉冲吸附塔

4 塔式过滤浓密设备

塔式过滤浓密设备用于过滤和浓密含有晶体和固体颗粒的、液固体积质量比从1 000∶1到3∶1的悬浮液，也用于化工、石油、制药、放射化学、湿法冶金等工业领域，尤其适用于过滤和浓缩对人有害的物料（有毒的、有放射性的）以及强腐蚀性物料。

塔式过滤浓缩设备由塔体和脉冲室组成。塔体内安装有过滤元件，脉冲室通过脉冲管道与脉冲式压缩空气源（脉冲器）连接，如图5所示。

图5 脉冲式过滤－浓缩塔

常规过滤器都需要有一个间断的时间，用来去除过滤元件表面上沉积的固体悬浮物，所以，其缺点是运行过程呈周期性间断，从而降低了设备的利用率并增大了生产成本。

脉冲过滤－浓缩设备没有传动部件，是密闭式的，运行稳定，容易实现自动化操作。

塔可以降低生产费用和维修费用，因而实现了连续作业，省去了过滤介质的更换和再生，操作简单，维护费用低。同时还改善了劳动条件。

在低的过滤压力（10～25 k Pa）下，脉冲过滤－浓缩设备的生产能力以滤液计为0.08～2.5 m3／h。一些脉冲过滤－浓缩设备的参数见表2。

表2 脉冲过滤－浓缩设备的性能

5 脉冲搅拌反应器

石油、化工、湿法冶金、放射化学等领域中均采用大量反应器。在这些反应器中进行各种过程：溶解；固体物料洗涤去除杂质；几种流体混合以及液体与固体物质混合制备乳状物、悬浮体、浆体或产生气泡；还有其他各种反应过程。在进行这些过程时，国内外通常采用带机械搅拌装置的反应器，或带鼓泡器的反应器（气体搅拌器）。

机械搅拌器维护和维修以及预防性维修时必须停车，这就降低了反应器的效率；机械搅拌器的填料函会导致设备内试剂的外泄和操作室空气的污染；另外，如果在强腐蚀性介质中运行，搅拌材料的选择也很困难。

气体搅拌器的应用只能部分解决上述问题，而且，气体搅拌时可能产生大量气溶胶，为了净化这些气溶胶还得再建设一套净化装置。

脉冲搅拌反应器在很大程度上能够避免上述这些缺点。脉冲反应器的脉冲搅拌器固定在设备内部（如图6所示），空气自脉冲器（见图1）进入脉冲搅拌器内，与试剂的有限表面接触并很好地传递振动脉冲，同时又可避免气溶胶的形成。脉冲搅拌器可以将试剂的振动运动形式转变为螺旋式、离心式等。

图6 脉冲搅拌反应器

脉冲搅拌器的外形可以随不同结构的反应器的需要而改变，因此，脉冲搅拌器可以应用到不能安装机械搅拌器的设备中，如电解槽、蛇管反应设备等等。脉冲搅拌反应器的参数见表3。

表3 脉冲搅拌反应器的参数

6 脉冲混合澄清器

脉冲混合澄清器是用有机溶剂萃取分离不同物质的设备。混合澄清器由数级组成（如图7所示），每级又由前室、混合室和澄清室3部分组成。前室接受试剂，混合澄清器与脉冲器组合成一体。混合室中安装有专用的脉冲式离心混合—输送装置，该装置可以保证有机相和水相之间的有效接触。澄清室用于有机相和水相的重力分离。各级澄清器的综合有效分离系数视相（试剂）组成不同而不同，一般为90%～98%。

机械搅拌混合澄清器有相同的功能，但在其混合室内装有机械搅拌器，而这种搅拌器通常带有传动装置和填料函，由于密封不严，试剂会从缝隙中逸出，使工作场所的空气受到污染。机械搅拌混合澄清器需要经常维护、系统地检查和维修，从而降低了设备的效率和可靠性。

图7 脉冲混合澄清器

在脉冲混合澄清器中，离心式混合－输送装置通常刚性地固定在混合室内，脉冲器安装在距混合澄清器认可的一段距离之内。一台脉冲器可以保证20台离心混合输送装置正常工作。脉冲混合澄清器尤其适合处理有毒的、强腐蚀性的和放射性的溶液。

低廉的实验室混合澄清器可以快速选取多级萃取工艺需要的任何萃取剂。脉冲混合澄清器的生产能力可达9.5 m3／h。

7 脉冲离心－惯性泵

脉冲离心－惯性泵用于输送扬程小、黏度达0.05 Pa·s的浆体和溶液，生产能力可达20 m3／h，其结构如图8所示。该泵没有传动部件，由带脉冲室的泵体和喷嘴装置组成。脉冲离心－惯性泵与脉冲器组成一个整体。

图8 脉冲离心－惯性泵

脉冲离心－惯性泵用于在反应器内建立循环流；在脉冲过滤器中强化过滤过程；在多级萃取塔、混合澄清器以及在其他设备中转移溶液。

脉冲离心－惯性泵和应用脉冲离心－惯性泵的设备具有高度可靠性，完全的密封性，可以远距离操作，因此能够完全保证员工的安全。泵和相应设备可由适合工作条件的任何材料制成。

脉冲离心－惯性泵的应用领域很宽，如化工、石油、冶金及其他领域，尤其适用处理有毒的、有腐蚀性的和放射性的溶液。脉冲离心－惯性泵生产能力可达10 m3／h，扬程1.5 m。

8 结束语

虽然脉冲设备具有优异的工艺指标和无与伦比的低经营费用，但是就目前情况看，其在各个领域的应用和普及程度还远远不够。今后，随着人们认识的加深和配套系统的日臻完善，脉冲设备一定会像槽式机械反应器一样被广泛采用。

［1］ КарпачеваС М.Пульсационнаяаппаратуравнародном хозяйстве，ч.2.пульсаторыипурьсационныесистемы.Экстракционноеисорбционноеоборудование［M］.Москва：Атомздат，1979：133.

［2］ Eliyahu Buchalter，Sean Scott，Marthie Kotze.Solvent Extraction of Uranium From Sulphate Solution Using Bateman Pulsed Columns：Pilot Study［C］／／ALTA 2006 Uranium Conference.Melburne：ALTA Solvent Extraction and Ion Exchange，2006：1-10.

［3］ Movsowitz R L.Comparison of the Performance of Full Scale Pulsed Columns vs.Mixer-settlers for Uranium Solvent Extraction［C］／／Uranium 2000：Proceeding of the International Symposium on the Process Metallurgy of Uranium.Saskatchewan，2000：181-191.

［4］ РябчиковБЕ.Очисткажидкихрадиактивныхотходов непрерывнымионнымобменом［J］.Атомнаяэнергия，1975，38（4）：222-225.

［5］ КоростыщевокийНБ.用带кримз喷嘴塔板的顺流塔吸附浸出含金矿石的半工业试验［J］.赵伯毅译.湿法冶金，1984（2）：62-64.